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为了克服由有限频谱资源及移动无线衰落信道带来的挑战，未来高速无线通信系统必须采用先进的信号处理技术，以提高谱效率和信息传输的可靠性。本文从时频信号分析与处理的角度对无线数字通信系统在各种衰落信道中的原理、性能、特性、系统设计以及相关检测技术等关键问题进行分析与研究。其主要工作概括如下： 1．针对多载波信号传输的特点，证明了各子载波信号经历频率平坦(频率非选择性)衰落与各子载波的衰落系数相互独立的假设是相互矛盾的。进而提出了一种基于频域相关函数的多载波Rayleigh衰落信道仿真算法。 2．立足于函数空间理论，给出了时频信号传输的一般模型与构架，指出信号传输问题可以看作是一种时频铺砌问题。进而提出了一种基于六边形(五株形)网格的时频信号传输方案。 3．从时频信号传输的角度，以最小符号能量扰动为准则，对无线通信系统在时频双弥散衰落信道中的调制波形以及网格参数等系统参数进行了优化设计。 4．针对时频弥散衰落信道中多载波数字传输的均衡(检测)技术进行了研究。分别利用矩阵求逆引理与分块矩阵求逆引理，提出了两种基于最大信干噪比准则的串行迭代时频均衡器，以克服由时频弥散衰落信道带来的码间干扰和载波间干扰。此外，利用系统优化设计后传输脉冲的时频能量聚集性以及无线衰落信道是欠扩展属性，提出了一种并行最大似然序列检测器，并对其性能以及计算和存储复杂性进行了定量分析。 5．通过将时变多径Rayleigh衰落信道中传输符号的判决变量表示为Gaussian随机矢量的二次形式，得出其特征函数的解析表达式。进而推导了时变离散多径Rayleigh衰落信道下的匹配滤波界，以作为该信道下最佳检测的性能下界。 6．从函数空间理论出发，证明了对于取自于离散与有限字符集的数字信号的传输，其调制脉冲可以突破传统的正交或双正交约束，即使用相关的传输脉冲波形同样可以实现完全传输复用。进而提出了基于Weyl-Heisenberg框架以及六边形Gabor框架的多载波传输系统。它们可以看作是正交频分复用(OFDM)或双正交频分复用(BFDM)的重要推广，且具有比Nyquist速率更大的符号传输率。 7．将上述基于Weyl-Heisenberg框架以及六边形Gabor框架的数字传输系统推广到一般框架情形，并从信息论角度对其在带限加性Gaussian白噪声(AWGN)信道中的传输容量进行了研究。通过分析Nyquist符号率与Shannon容量的关系，并利用大维随机矩阵理论，从理论上证明了基于框架的广义多载波传输系统可以渐近地取得带限AWGN信道的Shannon容量。